在注蠟期間使用柔性蠟?zāi)Ｄ＞哐仄溟L(zhǎng)度支撐陶瓷型芯的熔模鑄造
【專利說(shuō)明】在注蠟期間使用柔性蠟?zāi)Ｄ＞哐仄溟L(zhǎng)度支撐陶瓷型巧的膝模 鑄造
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)是2010年12月07日提交的未決申請(qǐng)?zhí)枮?2/961,740(代理人案號(hào)為 2010P13199US)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，該未決申請(qǐng)要求了美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/267,519(代理人案 號(hào)為2009P22785US)的申請(qǐng)日2009年12月08日的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明一般而言設(shè)及烙模鑄造領(lǐng)域，并且更具體地，設(shè)及使用柔性模具或模具W 形成蠟?zāi)Ｗ鳛槔幽ｈT造工藝的一部分。
【背景技術(shù)】
[0004] 烙模鑄造是最早已知的金屬成形工藝中的一種，起源于其最初用于使用諸如銅、 青銅和金制造精細(xì)的手工品的幾千年前。在1940年代，第二次世界大戰(zhàn)增大了專用金屬合 金形成的精確尺寸的零件的需求，工業(yè)烙模鑄造變得越來(lái)越普遍?，F(xiàn)在，烙模鑄造普遍用在 航空航天和電力工業(yè)中W制造燃?xì)鉂M輪機(jī)部件，諸如具有復(fù)雜的翼形形狀和內(nèi)部冷卻通道 幾何形狀的翼片或翼片。
[0005] 烙模鑄造燃?xì)鉂M輪機(jī)葉片或翼片的制造包含制造具有內(nèi)表面對(duì)應(yīng)于翼形形狀的 外部陶瓷殼的陶瓷鑄造容器，W及位于對(duì)應(yīng)于要在翼形內(nèi)形成的內(nèi)部冷卻通道的外部陶瓷 殼內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)陶瓷型忍。烙融合金被引入陶瓷鑄造容器并隨后被允許冷卻和硬化。然 后通過(guò)機(jī)械或化學(xué)裝置移除外部陶瓷殼和陶瓷型忍W露出具有外部翼形形狀和形狀為陶 瓷型忍的中空的內(nèi)部冷卻通道的鑄造葉片或翼片。
[0006] 制造用于注模鑄造的陶瓷型忍包括，首先精密加工期望的忍形狀到由高強(qiáng)度硬化 機(jī)器鋼形成的匹配的忍模的兩個(gè)一半上，然后連接模的兩個(gè)一半W定義對(duì)應(yīng)于期望的忍形 狀的注入容積，W及真空注入陶瓷成型材料到注入容積中。成型材料是陶瓷粉和粘結(jié)材料 的混合物。一旦陶瓷成型材料硬化為巧體狀態(tài)，模的兩個(gè)一半分離W釋放巧體狀態(tài)的陶瓷 型忍。然后熱處理易碎的巧體狀態(tài)的忍W移除粘結(jié)劑并一起燒結(jié)陶瓷粉W創(chuàng)造可W承受在 烙融合金鑄造中存在所必須的溫度要求的材料。通過(guò)在另一個(gè)精密加工的硬化鋼模(稱為 蠟?zāi)Ｄ＞呋蛳災(zāi)Ｄ＞撸┑膬蓚€(gè)連接的一半中定位陶瓷型忍形成整個(gè)陶瓷鑄造容器，其定義 了對(duì)應(yīng)于期望的翼形形狀的注入容積，然后注入烙化的蠟至陶瓷型忍周圍的蠟?zāi)Ｄ＞咧小?一旦蠟已經(jīng)硬化，模具的兩個(gè)一半分離并移除W露出裝在蠟?zāi)?nèi)部的陶瓷型忍，此時(shí)蠟?zāi)?對(duì)應(yīng)于翼形形狀。然后用陶瓷成型材料，諸如通過(guò)浸潰法，包覆蠟?zāi)５耐獗砻?，W形成圍繞 忍/蠟?zāi)５奶沾蓺?。在該殼體的燒結(jié)和隨后蠟的移除之后，完成的陶瓷鑄造容器能夠容納烙 模鑄造工藝中的烙融合金，如上所述。
[0007] 在用陶瓷成型材料包覆蠟?zāi)Ｖ安迦攵ㄎ痪€或銷至蠟?zāi)Ｖ惺沁M(jìn)一步已知的。穿透 蠟插入定位線直到它們僅僅輕輕接觸包住的陶瓷型忍，使得在其引起對(duì)易碎的陶瓷型忍材 料的損害之前終止線的進(jìn)一步插入。線的一部分保持延伸超出蠟表面并隨后包在周圍的陶 瓷成型材料中。一旦蠟被移除W及在后續(xù)的烙融金屬注入步驟中，定位線用于提供對(duì)忍的 機(jī)械支撐。線材料，通常是白金，將在烙融金屬注入完成的陶瓷注模之后烙化并變得集成在 最終的鑄造產(chǎn)品中。
[0008] 已知的烙模鑄造工藝是昂貴且費(fèi)時(shí)的，隨著新葉片或翼片設(shè)計(jì)的發(fā)展，通常需要 經(jīng)歷數(shù)月W及數(shù)十萬(wàn)美元來(lái)完成。進(jìn)一步地，設(shè)計(jì)選擇被陶瓷型忍和蠟?zāi)Ｖ圃熘械墓に嚇O 限所限制。金屬形成工業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到運(yùn)些限制并已經(jīng)開發(fā)了至少一些增量改進(jìn)，諸如美國(guó) 專利7,438,527中描述的用于鑄造翼形后緣冷卻通道的改進(jìn)工藝。盡管增量改進(jìn)已經(jīng)出現(xiàn) 在烙模鑄造技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)明人意識(shí)到該工業(yè)面臨一些基本限制，運(yùn)將極大地抑制用于許多 領(lǐng)域中的計(jì)劃改進(jìn)的部件設(shè)計(jì)，例如在下一代燃?xì)鉂M輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，其中為了提高燃燒效率， 點(diǎn)火溫度持續(xù)增大，W及隨著功率級(jí)的提高，燃?xì)廨啓C(jī)熱氣體通道部件的尺寸持續(xù)增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是用于烙模鑄造的完全新的方案的一部分，并且當(dāng)在陶瓷型忍周圍鑄造蠟 模時(shí)，它集中于柔性模具的使用。特別地，在注蠟步驟中，在沿其長(zhǎng)度的點(diǎn)用柔性模具支撐 陶瓷型忍。本發(fā)明允許在注蠟步驟中使用更高的壓力用于注蠟而減小忍的損害或移動(dòng)的發(fā) 生。本文描述了整個(gè)烙模鑄造工藝，使得讀者可W理解本發(fā)明如何匹配并貢獻(xiàn)于新方案。
[0010] 柔性蠟?zāi)Ｄ＞呖蒞形成為在棺式模具中具有柔性插入物的混合模具。柔性插入物 通過(guò)使在鑄造特征周圍的柔性插入物變形而有助于從鑄造蠟?zāi)Ｒ瞥災(zāi)Ｄ＞?，其否則需要 多個(gè)拉升平面W用于硬模具?？蒞用母模具鑄造柔性插入物，母模具可W用相當(dāng)?shù)统杀竞?低硬度的材料加工，諸如侶或軟鋼。
[0011] -些期望的表面形貌太精細(xì)使得它們?cè)诤罄m(xù)的處理和陶瓷殼形成步驟中可能無(wú) 法存在于蠟的表面。對(duì)于運(yùn)種實(shí)施方式，可W結(jié)合柔性蠟?zāi)Ｄ＞呤褂锰沾刹迦胛??？蒞形成 陶瓷插入物W具有期望的復(fù)雜的表面形貌。陶瓷插入物設(shè)置在柔性蠟?zāi)Ｄ＞咧胁⑿纬啥x 注蠟容積的表面的一部分。在蠟注入和固化之后，當(dāng)移除柔性蠟?zāi)Ｄ＞邥r(shí)，陶瓷插入物保持 粘附到蠟?zāi)！ｋS后，陶瓷型殼形成在蠟?zāi)及其粘附的插入物周圍，諸如通過(guò)上述浸潰工 藝，并且插入物在燃燒時(shí)成為陶瓷殼的集成部分。
[0012] 放置在柔性蠟?zāi)Ｄ＞咧械奶沾刹迦胛镞€可W用于定義后續(xù)的鑄造金屬零件中的 表面開口通道，諸如用于燃?xì)鉂M輪機(jī)葉片的后緣冷卻孔。在運(yùn)個(gè)實(shí)施方式中，陶瓷插入物將 包括對(duì)應(yīng)于冷卻孔的期望形狀的突出。突出將延伸W與陶瓷型忍接觸，由此定義在后續(xù)鑄 造零件中的冷卻通道，其從葉片的中空內(nèi)部部分（由陶瓷型忍定義)延伸至葉片表面（由陶 瓷型忍的內(nèi)表面定義）。凸起的遠(yuǎn)端可由與陶瓷型忍上形成的配合特征匹配的特征形成。忍 和陶瓷插入物突出之間的機(jī)械接觸用于精確地將陶瓷型忍定位于柔性蠟?zāi)Ｄ＞咧?，并且還 在后續(xù)的蠟和金屬注入步驟中機(jī)械支撐陶瓷型忍。
[0013] 可W形成蠟?zāi)Ｄ＞叩娜嵝圆迦胛?，W包括允許插入物相對(duì)周圍的棺式模具精確放 置的對(duì)準(zhǔn)特征，其進(jìn)而可W相對(duì)于封閉的陶瓷型忍精確放置插入物W及形成在插入物上的 任何特征W用于注蠟工藝。
[0014] 用于形成柔性模具或者柔性模具插入物的成型材料可W浸入或者鑄造在材料或 者器件的周圍，其允許柔性插入物W期望的方式反應(yīng);本文寬泛地描述為柔性插入物包含 反應(yīng)元件。反應(yīng)元件可W是給予期望的特性至后續(xù)固化的材料的填充物材料。例如，如果使 用磁性顆粒作為填充物，固化的柔性插入物將響應(yīng)于磁能。運(yùn)種特性對(duì)于固定柔性插入物 至周圍棺式模具中是有用的，當(dāng)形成棺式模具包括永磁體或電磁鐵時(shí)。如果導(dǎo)熱或熱絕緣 材料用作填充物，通過(guò)柔性插入物的熱傳遞可W在其使用期間被更方便地控制。
[0015] 當(dāng)形成柔性模具或插入件時(shí)可W嵌入在其中的另一種類型的反應(yīng)元件是活性器 件。運(yùn)種活性器件可W包括溫度傳感器、壓力傳感器、機(jī)械振動(dòng)器、加熱或冷卻器件、或者在 在后續(xù)的注蠟工藝中使用柔性插入物時(shí)是有用的其它器件。
[0016] 可W與柔性蠟?zāi)Ｄ＞咭黄鹗褂枚ㄎ讳N(線），W在金屬鑄造期間機(jī)械支撐封閉的陶 瓷型忍，并且重要的是，運(yùn)些可W在注蠟步驟之前緊靠陶瓷型忍定位。專口的銷支撐元件位 于柔性插入物的表面的凹陷中，由此在注蠟之前將銷相對(duì)于陶瓷型忍精確定位。運(yùn)允許銷 在注蠟期間支撐忍并且其還允許銷比現(xiàn)有技術(shù)工藝更加精確地定位，其中現(xiàn)有技術(shù)工藝需 要銷插入穿過(guò)已經(jīng)鑄造的蠟?zāi)?。結(jié)果，減少了對(duì)易碎的的陶瓷型忍的損害并提高了工藝產(chǎn) 量?？蒞用特定尺寸和定位的表面特征形成陶瓷型忍W與銷的端部配合，W允許銷沿兩個(gè) 軸提供對(duì)忍的支撐。
[0017] 本發(fā)明中開發(fā)的使能技術(shù)描述于美國(guó)專利7，141，812和7,410,606^及7,411，204 中，均轉(zhuǎn)讓給位于弗吉尼亞夏洛茨維爾的Mikro Systems有限公司，并且全部通過(guò)引用并入 本文中。該技術(shù)通常被稱為Tomo光刻成型技術(shù)(在下文中稱為"Tomo工藝"），并且它包含了 金屬錐疊片模具的使用W制造柔性衍生模具，然后其進(jìn)而用于鑄造部件零件。部件設(shè)計(jì)首 先嵌入在數(shù)字模型中，然后被數(shù)字化切片，并且使用光刻或者其它精密材料去除工藝形成 對(duì)應(yīng)于每個(gè)切片的金屬錐。二維材料去除工藝的固有精度與設(shè)計(jì)者控制=維中各種切片厚 度的能力相結(jié)合提供了之前使用母模具加工工藝不能得到的=維制造公差精度程度。錐片 疊加在一起W形成用于接收合適的柔性成型材料的疊層模具。本文所使用的術(shù)語(yǔ)"柔性"指 代諸如室溫硫化(RTV)硅膠的材料或者可W用于形成不像現(xiàn)有技術(shù)的金屬模具一樣堅(jiān)硬的 "柔性模具"的其它材料，但是為了便于從其中鑄造的結(jié)構(gòu)中移除模具，其允許模具彎折并 伸展至一定程度。進(jìn)一步地，本文所使用的術(shù)語(yǔ)"柔性模具"和"柔性模具"包括自立的柔性 結(jié)構(gòu)W及包含在堅(jiān)硬的棺式模具中的柔性襯墊或插入物。然后部件被直接鑄造于柔性模具 中。因?yàn)槿嵝阅＞卟牧显阼T造零件被拉出模具時(shí)在特征周圍變形的能力，模具材料的柔性 使能夠鑄造具有凸起底切和反向橫截面錐的部件特征。
[0018] 總的來(lái)說(shuō)，運(yùn)些改進(jìn)定義了用于烙模鑄造的新方案，其克服了現(xiàn)有技術(shù)中的許多 限制，特別是在烙模鑄造工藝的蠟?zāi)２糠值南拗?，如下面更完整地描述的?br>【附圖說(shuō)明】
[0019] 本發(fā)明在下面的描述中通過(guò)結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明，附圖顯示了 ：
[0020] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)的陶瓷型忍。
[0021] 圖2A-2B示出了用于制造用于烙模鑄造工藝的蠟?zāi)Ｄ＞叩牟襟E。
[0022] 圖3示出了位于陶瓷型忍和柔性蠟